## A nalisis proses hot tapping pada pipa distribusi gas online service dengan pengelasan Shielded Metal Arc Welding
Yunan Sadli Nasution 1 , *Budi Prasojo 1 , Endah Wismawati 1 , Subagio So’im 2 , M. Ari 3
1 Program Studi Teknik Perpipaan, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia
2 Program Studi Teknik Permesinan Kapal, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia
3 Program Studi Teknik Pengelasan, Jurusan Teknik Bangunan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia *Corresponding author: budiprasojo@ppsn.ac.id

## Abstrak
Penambahan fasilitas perpipaan pada industri diperlukan pembuatan percabangan baru. Secara umum pemasangan percabangan  mengharuskan  untuk  menghentikan  sementara  proses  yang  sedang  beroperasi,  sehingga menyebabkan kerugian yang sangat besar. Oleh sebab itu diperlukan teknologi yang digunakan untuk membuat percabangan  tanpa  menghentikan  proses  operasi.  Pada  penelitian  ini,  percabangan  dengan  diameter  12”  akan dipasang  pada  pipa  existing  diameter  16”.  Sistem  tersebut  harus  dipasang  tanpa  menghentikan  operasi  dari pipeline . Hot-tapping adalah teknologi yang berfungsi untuk membuat percabangan pada kondisi online service . Dilakukan  perhitungan  dan  analisa  perhitungan  untuk  memastikan  proses hot-tapping benar-benar safe untuk dioperasikan. Poin – poin yang harus perhatikan meliputi heat input , tekanan operasi selama proses pengelasan hot-tapping ,  tegangan yang  terjadi  pada  sistem  percabangan.  Analisa  pada split  tee dilakukan karena  tegangan yang terjadi akibat proses pengelasan dengan Shielded Metal Arc Welding (SMAW) dan pengurangan ketebalan. Analisa pada sistem pipa dilakukan karena terjadi percabangan baru sehingga menyebabkan terjadinya tegangan baru.  Hasil  dari  analisa  pada split  tee dan  pada  sistem  pipa  digunakan  sebagai  acuan  pembuatan  prosedur pelaksanaan hot-tapping .  Tegangan  maksimum  yang  terjadi  pada  pipa  selama hot-tapping adalah  pada  area pengelasan  (22.828  psi).  Pengelasan  mengakibatkan  sebagian  logam  pipa  mencair  sehingga  selama  proses pengelasan ( hot-tapping ) tekanan kerja harus diturunkan sebesar 25,27%. Kondisi fluida selama proses pengelasan hot-tapping tetap safe jika kedalaman drilling tidak melebihi 304,8 mm (terukur dari outside diameter pipa). Hasil desain percabangan baru layak untuk difabrikasi karena stress yang terjadi masih di bawah nilai tegangan ijin.
Kata kunci :  Hot-tapping , tegangan pada split tee , tegangan pada sistem pipa
Hot tapping process analysis on gas distribution pipes online service using Shielded Metal Arc Welding

## Abstrack
In a piping system makes it possible to add branching into an existing piping system. In this research will discuss about installation 12 " branch pipe in to 16” existing pipe. The system should be installed without interrupting the operation of the pipeline to avoid huge losses. Hot-tapping is a technology that works to create branching on the online  service  pipe  condition.  Calculation  and  analysis  of  the  results  to  ensure  the  process  of  hot-tapping absolutely  safe  to  operate.  parameters  that  must  be  considered  include  the  heat  input,  the  operating  pressure during welding hot-tapping process with Shielded Metal Arc Welding, stress that occurs at the branching system. Analysis on split tees must be done because of stress that occurs due to the welding process and the reduction in thickness. Analysis on the plumbing system must be done because of a new branching thus causing new stress. The results of the analysis on split tees and the pipe system is used as a reference-making procedures for implementing hot-tapping. Maximum stress that occurs in the pipes during hot-tapping process is the welding area ( 22.828 psi ). The welding process causes melting partial in the metal pipe so, during welding process (hot-tapping) working pressure  should  be  reduced  by 25.27%. The  condition  of  the  fluid  in  the  existing  pipeline  still  safe  because liquefaction as  a  result  of  the  welding  process  does  not  penetrate  to  the  inner  pipe.  The  new  design  results  in branch pipe eligible to fabricated because stress that occurs is still below the allowable stress values.
Keywords: Hot tapping, Stress in split tee, Stress in piping system

## 1. Pendahuluan
Industri  akan  semakin  berkembang  dalam penangan  manjemen  yang  baik,  termasuk  industri gas.  Salah  satu  satu  program  pengembangan  jalur distribusi  gas  ini  merupakan  proyek pipeline sepanjang  648  km  yang  terbentang  di  kota  Jawa Timur. Guna meningkatkan keandalan jaringan untuk penyaluran gas tersebut yaitu dengan cara pemasangan metering and regulating station (MRS). Untuk  menghubungkan  antara  MRS  dengan  jalur pipeline  perlu  dilakukan  penyambungan  keduanya dengan  pengelasan  SMAW  tanpa  ada  pemutusan aliran gas di dalam sistem yang disebut hot-tapping . Teknologi  ini  akan  dipakai  untuk pipeline dengan pipa existing 16 inch dengan rencana cabang 12 inch. Pekerjaan hot-tapping sangat  berbahaya  [1],  karena melibatkan pengerjaan panas seperti pengelasan serta pengeboran saat sistem sedang beroperasi. Untuk itu membutuhkan perhitungan dan analisa yang meliputi heat input , tekanan operasi dan tegangan yang terjadi pada  area  percabangan  agar  proses  pekerjaan hot- tapping aman  untuk  dilakukan.  Penelitian tentang hot-tapping sudah pernah dilakukan oleh Mc. Elligot [2]. Penelitian tersebut berisikan tentang design hot- tapping ,  kualifikasi  pekerja, quality  control (dalam kegiatan ini mengatur bagaimana proses NDT ( Xray atau Ultrasonic harus dilakukan), serta analisis biaya. Penelitian yang dilakukan Mc. Elligot lebih terfokus pada  pengerjaan hot-tapping dimana  pada  tahun 1998, hot-tapping merupakan hal yang baru. Pada  penelitian  kali  ini,  terdapat  perbedaan pembahasan  yang  akan  dijelaskan  pada  poin-poin dibawah ini.

## 2.     Metodologi Penelitian
2.1.   Diagram Alir Penelitian
Adapun  langkah-langkah  dalam  penelitian  ini dijelaskan dalam dalam bentuk diagram alir berikut

## 2.2  Perhitungan Heat Input
Cara  yang  digunakan  untuk  menghindari terjadinya  kegagalan  (terbakar  dan  meledaknya pipeline )  selama  proses  pengelasan  yaitu  dengan mempertimbangkan besarnya heat input yang terjadi selama proses pengelasan berlangsung sesuai dengan persamaan yang tercantum pada maximum temperature of wall thickness 3.3.2 DEP 31.38.60.10- Gen [3]
𝐇𝐈    = K × V × A S (1)
HI
= heat input (joule per mm) K
= net factor
= 0.85 for butt welds , dan = 0.57 (=2/3 x 0.85) for fillet welds . V = voltage (Volts) A          = current (amperes) S = travel speed (mm/s)

## 2.3  Perhitungan Thikcness Minimum
Tebal  material  pipa  yang  dibutuhkan  untuk operasi  normal  dapat  dihitung  dengan  berdasarkan standar [4] sebagai berikut :
(2)
t = required nominal wall thickness (inch) P
= design pressure (psig) S = specified minimum yield stress (psi) D = nominal outside diameter of run pipe (inch) T = temperature derating factor F = design factor E = longitudinal joint factor
2.4  Perhitungan  available  thickness  (tav)  during welding
Tebal  material  yang  tersedia  adalah  tebal material yang tidak mencair akibat proses pengelasan. Kedalaman  material  yang  mencair  (kedalaman penetrasi)  dapat  dihitung  dari  Gambar  2.  Grafik welding temperature of pipe wall .
Gambar 2 . Grafik welding temperature of pipe wall [3]
Grafik di atas digunakan untuk mencari nilai penetration depth (t av ), sehingga didapat rumus :
(3) t av = Available thickness (mm) t = Actual wall thickness (mm) h = Penetration depth (mm)

## 2.5  Perhitungan Maximum Allowable Pressure
Perhitungan allowable pressure penting dilakukan  untuk  memastikan  berapa  tekanan  yang diperbolehkan selama proses pengelasan berlangsung. Perhitungan allowable pressure dapat dihitung  dengan  menggunakan  persamaan  pada ASME B.31.8 dengan mempertimbangkan temperatur maksimal material.
(4)
P = design pressure (psig)
S = specified minimum yield stress (psi) D = nominal outside diameter of run pipe (inch)
t = nominal wall thickness (inch)
T
= temperature derating factor
F = design factor E = longitudinal joint factor
2.6  Perhitungan Maximum Allowable Stress Berdasarkan ASME section . II D MANDATORY APPENDICES,  Mandatory  appendix 1  paragraf  (a) [5],  bahwa terdapat beberapa cara untuk perhitungan maksimum allowable stress dan  dari  perhitungan tersebut  dipilih  nilai  yang  terkecil.  Perhitungan allowable stress diantaranya adalah :
1. Specified  minimum  tensile  strength pada temperatur ruangan dibagi dengan 3.5.
2. Specified  minimum  tensile  strength pada temperatur tertentu dibagi dengan 3.5.
3. Specified minimum yield strength pada temperatur ruangan dikalikan dengan 2/3.
4. Specified minimum yield strength pada temperatur tertentu dikalikan dengan 2/3.

## 2.6  Perhitungan Tegangan pada Split-Tee
Dalam menganalisa tegangan yang terjadi pada daerah split-tee perlu  dilakukan  2  metode,  yaitu metode perhitungan manual dan metode perhitungan dibantu dengan software (ANSYS), hal ini dilakukan karena  pada  daerah split-tee merupakan  daerah  dari segment hot-tapping yang  kemungkinan  terjadinya kegagalan  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  daerah yang lainnya. Sehingga untuk menghindari
kemungkinan  kegagalan,  dari  perhitungan  ke  2 metode tersebut harus acceptable . Untuk perhitungan tegangan berdasarkan tegangan hoop stress yang ditimbulkan oleh tekanan internal  yang  bekerja  secara  tangensial  [6]. Perhitungan  tersebut  menggunakan  rumus  sebagai berikut [7] :
(5) P = Tekanan internal (psi) L = Panjang pipa (ft)
di = Diameter dalam pipa (in) do = Diameter luar pipa (in)
t
= Tebal pipa (in)
3. Hasil dan Pembahasan
3.1  Data Spesifikasi Pipa dan Penyambungan
Gambar 3 . Dimensi Pipa dan Split-Tee
Tabel 1 . Data Spesifikasi Pipa API 5L X-52
Data Nilai Satuan NPS 16 inch Schedule XS - Inside Diameter 15 inch Outside Dimater 16 inch Wall Thickness 0,5 inch Yield Strength 73.099 psi Tensile Strength 84.702 psi Allowable Hoop Stress 26.416 psi
Tabel 2 . Data Split-Tee Data Nilai Satuan NPS 16-16-12 inch Run Pipe (ID) 16,125 inch Run Pipe (OD) 17,875 inch
Run Pipe Wall Thickness 0,875 inch Branch Pipe (ID) 12 inch Branch Pipe (OD) 12,750 inch Branch Pipe Wall Thickness 0,375 inch Tabel 3 . Contoh tabel Data Keterangan/Nilai Satuan Fluida Natural Gas - Tekanan 720 psi Temperatur 26,67 C Mass Flow 17968,40 lb/hr Massa Jenis 0,64 lb/ft 3 Tabel 4 . Welding Parameter Weld Layers Butt & Fillet Weld Ampere Voltage Speed Range (mm/min) Root Pass 75-110 18-20 50-100 Hot Pass 80-110 18-20 50-100 Filler 80-135 20-36 50-100 Capping 80-135 20-36 50-100

## 3.2  Hasil Perhitungan Heat Input
Parameter yang berhubungan dengan heat input adalah; voltage , ampere ,  dan  kecepatan  pengelasan. Heat  input yang  dihitung  adalah heat  input untuk pengelasan butt  weld dan fillet  weld.  Adapun  hasil dari perhitungan tersebut :
Tabel 5 . Hasil Perhitungan Heat Input
Jenis Pengelasan Heat Input Butt Weld 1195,1 J/mm Fillet Weld 801,42 J/mm
Dari  kedua  perhitungan heat  input ( butt  weld dan fillet  weld )  yang  mempunyai  nilai  lebih  tinggi adalah heat  input dari butt  weld sehingga  jenis sambungan  pengelasan  yang  perlu  dianalisa  adalah butt weld.
3.3  Hasil Perhitungan Minimum Thickness
Hasil perhitungan minimum thickness diketahui bahwa  ketebalan  aktual  yang  dibutuhkan  untuk kondisi  operasi  normal  (720  psi)  adalah  0,098  inch atau 2,50 mm.
3.4  Hasil Perhitungan t av dan Allowables Pressure
Untuk  mencari  nilai t av dibutuhkan  nilai penetration depth yang didapat dari grafik yang dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 4 . Hasil Grafik Welding Temperature Of
Pipewall
Gambar 5 . Detail Hasil Grafik Welding

## Temperature Of Pipewall
Jadi ketebalan yang masih tersedia selama proses pengelasan  adalah  10,66  mm.  Tetapi  dengan pertimbangan  penurunan yield  strength akibat tingginya temperatur pengelasan, maka kadar carbon material pipa juga harus dipertimbangkan . Berdasarkan API Spesification 5L, kadar karbon dari material API 5L-X52 adalah 0,26 % sehingga untuk menghindari  perubahan  struktur  mikro,  temperatur yang  diperhitungkan  harus  kurang dari 725 0 C .
Mengacu pada  w elding  temperature  of  pipe  wall, untuk  temperatur inner  pipe 200  C  dan heat  input 1195,1  joule/mm,  ketebalan  material  pipa  yang dibutuhkan  (t min )  adalah  10,55  mm,  sehingga  tebal material yang tersedia ( t av ) adalah 0,866 inch. Adapun
perhitungan allowable pressure menggunakan variable t av untuk wall thickness -nya sehingga didapat hasil 538,08 psi.

## 3.5  Hasil Perhitungan Allowable Stress
Untuk  mempermudah  perhitungan,  maka  perlu dilakukan  pengumpulan  data  tentang mechanical properties  material  (tensile  strength dan yield strength).  R angkuman  perhitungan Allowable  Stress disajikan dalam tabel berikut :
Tabel 6 . Mechanical Properties Material Mechanical Properties Pada Temperatur Ruangan Pada suhu 400 C Tensile Strength 84.702 psi 71.996,70 psi Yield Strength 73.099 psi 62.134,15 psi Tabel 7 . Hasil Perhitungan Allowable Stress Langkah Perhitungan Hasil Specified minimum tensile strength pada temperatur ruangan dibagi dengan 3.5 24.200 psi Specified minimum tensile strength pada temperatur tertentu dibagi dengan 3.5 20.570 psi Specified minimum yield strength pada temperatur ruangan dikalikan dengan 2/3 48.732 psi Specified minimum yield strength pada temperatur tertentu dikalikan dengan 2/3 41.422 psi Dari perhitungan di atas, maka dapat allowable stress material dapat diketahui,
1. Allowable stress runpipe ( during welding ) (S 1 ) = 20.570 psi
2. Allowable  stress  runpipe ,  pipa  cabang  dan logam las (S 2 ) = 24.200 psi

## 3.6  Hasil Perhitungan Tegangan (Manual)
Tegangan  pada  split-tee  yang  akan  dihitung meliputi daerah run pipe (σ 1 ), percabangan (σ 2 ) , dan daerah  antara split-tee dengan outside  diameter  run pipe (σ 3 ) seperti yang ditunjukan Gambar 6 .
Lokasi Tegangan dibawah ini :
Gambar 6 . Lokasi Tegangan
Hasil perhitungan tegangan dengan perhitungan manual dapat dilihat pada tabel dibawah ini :
Tabel 8 . Hasil Perhitungan Tegangan (Manual )
Area Tegangan Hasil (psi) Run Pipe (σ1) 12.687,225 Area Percabangan (σ2) 12.240
Dinding antara S plit-tee dan R un pipe (σ3) 5.760

## 3.6  Hasil Perhitungan Tegangan dibantu Software ANSYS
Dari  hasil  pemodelan  pada  ANSYS,  akan diperoleh  hasil finite  elemen yang  dapat  dianalisa, pokok bahasan yang akan dianalisa dari hasil running ansys meliputi maximum  principle  stress,  shear stress, total deformation, dan normal stress.
1. Maximum Principle Stress
Dari  gambar Gambar  7.  Maximum  principle stress dapat  diketahui  kondisi  akibat  tegangan  yang terjadi  pada segment  hot-tapping ( Pipline  existing dan split-tee )  bervariasi  antara  -3.191,6  psi  sampai dengan 22.828 psi. Tegangan maksimum terjadi pada daerah  yang  dilakukan  proses  pengelasan.  Hal  ini dapat  terjadi  karena  pada  proses  pengelasan menyebabkan  sebagian  tebal  dari  pipa  mencair, sehingga  ketebalan  yang  digunakan  untuk  menahan tekanan internal menjadi berkurang. Tetapi meskipun terjadi  tegangan  maksimum  di  daerah  pengelasan (22.828  psi)  dapat  diterima,  karena  tidak  melebihi allowable stress (24.200) psi.
2. Shear Stress
Gambar 8 . Shear Stress
Dari Gambar  8. Shear  stress dapat diketahui tegangan geser yang terjadi pada area hot- tapping bervariasi  mulai  dari  -6.271  psi  sampai dengan  4.987,6  psi  dari  hasil  tersebut  menunjukan bahwa desain tersebut layak untuk difabrikasi karena tegangan yang terjadi tidak melebihi allowable stress (24.200) psi.
3. Total Deformation
Dari Gambar  9. Total  deformation dapat diketahui  bahwa  deformasi  yang  terjadi  pada percabangan  sebesar  0,0034  inch  atau  sama  dengan 0,086  mm.  Total  deformasi  yang  terjadi  masih memenuhi persyaratan karena tidak melebihi 2% dari nominal  pipe  diameter.  Dan  persyaratan  yang mengharuskan  bahwa  total  deformasi  yang  terjadi tidak  boleh  melebihi  2%  digunakan  jika  kondisi tegangan  yang  terjadi  30%  di  atas yield  strength . Sehingga  total  deformasi  pada  kasus  ini  dapat diabaikan  karena  tegangan  maksimum  yang  terjadi (22.828  psi)  masih  jauh  dibawah  yield  strength (73.099 psi).

## 3.7  Memodelkan dengan Caesar II
Hasil  pemodelan  dari  kegiatan  menganalisa stress  pada  pipa  percabangan  yang  dibantu  dengan menggunakan  s oftware Caesar  II  ditunjukan  pada Gambar 10. Modelling Caesar II sebagai berikut :
Gambar 10 . Total Deformation
Dari  hasil running  Caesar  II diketahui  bahwa untuk load  case, beban operating , sustain ,  dan o ccasional terbesar adalah 11.891,63 psi, sedangkan untuk  beban  ekspansi  terbesar  adalah  695,85  psi, sehingga dari nilai-nilai tersebut menunjukkan bahwa stress yang terjadi pada pipa percabangan baru sudah layak  untuk  difabrikasi  karena  dari  tegangan  yang terjadi masih dibawah nilai tegangan yang diijinkan.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan, didapatkan kesimpulan bahwa tegangan yang  terjadi  selama  proses hot-tapping bervariasi antara  -3191,6  psi  sampai  dengan  22828  psi,  dan tegangan terbesar terletak pada area ketebalan pipa yang mencair akibat proses pengelasan yaitu 22828 psi.  Selama  proses  pengelasan  (penyambungan split-tee dengan  pipa existing )  terjadi  penurunan kekuatan material dan pengurangan ketebalan pipa existing ,  sehingga  tekanan  kerja  harus  diturunkan yang semula 720 psi menjadi 538,08 psi (diturunkan 25,27%).
3.   Kondisi  fluida  selama  proses  pengelasan hot-tapping tetap safe jika  kedalaman drilling tidak  melebihi  304,8  mm  (terukur dari outside diameter pipa).
4.   Perhitungan tegangan yang terjadi pada pipa percabangan  baru  ( Operating,  Occasional dan Sustained ) terbesar adalah 11891,63 psi , sedangkan  untuk Expansion adalah  695,85 psi  dan  dari  nilai  tersebut  masih  di  bawah nilai allowable  stress, sehingga  pipa percabangan  baru  sudah  layak  untuk difabrikasi.

## 5. Referensi
[1] API-2201,  Safe  Hot  Tapping  Practices  in  the Petroleum  and  Petrochemical  Industries, Washington: API Publishing Services, 2003.
[2]   McElligott, J A (1998). Use of hot taps for gas pipelines can be expanded. United State.
[3]   DEP-31.38.60.10, HOT-TAPPING ON
PIPELINES,  PIPING  AND  EQUIPMENT, Shell, 2010. [4]   ASME-B31.8, Gas Transmission and Distribution Piping Systems.
[5]   ASME-BPVC-II,  Boiler  &  Pressure  Vessel Code Section II : Materials, New York, 2010.
[6]   D. Agustinus, Pengantar Piping Stress Analysis,  Jakarta:  Entry  Agustino  Publisher, 2009.
[7]  A.  Chamsudi,  Diktat  Piping  Stress  Analysis, Jakarta: Rekayasa Industri, 2005.
[8]   William  Jarvis,  P.  B.  (2002).  Pipeline  Hot Tapping  Stoppling  &  In-service  Welding. Georgetown.
[9]   Panisher,  Roy  A.  et  al.  (2002).  Pipe  Drafting and  Design.  New  Delhi  :  Gulf  Professional Publishing
[10]  Tijara Pratama. (2004). Analisa Dasar Pelatihan  Tegangan  Pipa.  Jakarta  :  Tijara Pratama Inc.